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Fatma Lemkecher
To cite this version:
Fatma Lemkecher. Étude des grilles de prises d’eau ichtyocompatibles. Mécanique des fluides
[physics.class-ph]. Université de Poitiers, 2020. Français. �NNT : 2020POIT2275�. �tel-03255290�
THÈSE
Pour l’obtention du grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE POITIERS Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées
Diplôme National - Arrêté du 25 mai 2016
Ecole Doctorale SIMME : Sciences et Ingénierie en Matériaux, Mécanique et Énergétique Domaine de recherche : Mécanique des Milieux Fluides
Présentée par
Fatma Lemkecher
Étude des grilles des prises d’eau ichtyocompatibles
Directeurs de thèse : Laurent David Ludovic Chatellier
Thèse soutenue le : 4 décembre 2020 devant la Commission d’Examen
JURY
R. BOES Professeur, ETH Zurich, Laboratoire VAW Rapporteur
F. LARRARTE Directrice de recherches, Université Gustave Eiffel, Laboratoire St Venant Rapporteur S. ABADIE Professeur, Université de Pau et des pays de l’Adour, Laboratoire SIAME Examinateur D. COURRET Ingénieur de recherches, OFB, Pôle R&D Ecohydraulique IMFT Examinateur
L. DAVID Professeur, Université de Poitiers, Institut Pprime Examinateur
L. CHATELLIER Maître de Conférences HDR, Université de Poitiers, Institut Pprime Examinateur
Remerciements
Cette thèse s’est déroulée au sein de l’équipe Hydée du département Fluide-Thermique- Combustion de l’Institut Pprime, à l’université de Poitiers dans le cadre du projet européen FITHydro.
Je commence par remercier Stéphane Abadie pour avoir accepté de présider le jury et mes deux rapporteurs Frédérique Larrarte et Robert Boes pour avoir relu avec attention ma thèse dans ces conditions sanitaires difficiles.
Je tiens à remercier mes deux directeurs de thèse Laurent David et Ludovic Chatellier pour leurs conseils précieux, leur rigueur scientifique et leur soutien et aide nécessaires pour mener à bien ces travaux.
J’adresse également mes remerciements à Gérard Pineau qui m’a donné le goût de la recherche à travers le stage de fin d’étude et toute l’équipe pour la bonne ambiance de tra- vail. Je remercie Dominique Courret pour ses conseils, ses remarques pertinentes et pour son aide précieuse lors des mesures dans les centrales. Toutes les mesures en laboratoire ou in-situ ne se seraient pas faites sans le support incontesté de tous les ingénieurs et tech- niciens qui m’ont aidée (notamment pour monter des grilles de 300 kg dans un canal en verre!). Je remercie donc Christian Refin (notamment pour son humour indéfectible et les mesures à Las Rives avec de la grêle en plein juillet à Foix!), Laurent Dupuis, Jean-Marc Mougenot, Richard Tessier, Romain Bellanger, Francis Boissoneau, Pierre-François Lapla- ceta et Anthony Bernard pour m’avoir donné les moyens techniques et pour s’être rendu disponibles quand j’en avais besoin lors des manipulations expérimentales.
Je suis ravie d’avoir fait parti et d’avoir contribué au projet FITHydro dans lequel ma thèse a été financée et lors duquel j’ai eu la chance de côtoyer différents chercheurs euro- péens et eu des échanges fructueux notamment lors des congrès, tant sur le plan profes- sionnel qu’humain.
Il va sans dire que je remercie mes collègues de bureau: Clément (merci pour tes
conseils et tes encouragements pendant les moments les plus difficiles), Thomas, Pierre,
Anthony et Anne-fleur. Mais aussi tous les doctorant(e)s que j’ai connus lors de ces trois
shant, Yann, Johan, Hervé, Gwenael, Thomas, Gad, Srikar, Umesh et Sachin. La liste est encore longue, j’en ai peut-être oublié quelques uns mais je pense à vous!
Pour finir, Je voudrais remercier mes parents pour m’avoir toujours encouragé dans ma vie et mes choix et poussé à être meilleure et plus forte dans tout ce que j’entreprends.
Leur soutien m’a été d’un grand réconfort malgré la distance et je leur dédie mon travail.
Je remercie également mes deux soeurs et ma tante pour leur support et également mes ami(e)s: Ameni, Houma, Waf et Hmed. En dernier mais pas des moindres, je remercie Thibaud et sa famille, pour m’avoir soutenu pendant les moments difficiles (et pas que!).
Je suis très reconnaissante de ses efforts sans lesquels je n’aurai pas achevé ce travail avec succès.
Financement
Cette thèse a été financée dans le cadre du projet Européen Horizon 2020 FITHYDRO
(www.fithydro.eu) sous le numéro de contrat 727830 et les simulations numériques ont été
réalisées sur la plateforme nationale de calcul GENCY sur laquelle un nombre d’heures
nous a été alloué.
Table des matières
Introduction 1
1 Etat de l’art 5
1.1 L’ichtyologie . . . . 5
1.2 La migration des poissons . . . . 6
1.3 Les solutions pour la dévalaison des poissons . . . . 7
1.3.1 Les barrières physiques . . . . 7
1.3.2 Les barrières comportementales (mécaniques) . . . . 9
1.3.3 Les barrières comportementales (sensorielles) . . . . 11
1.3.4 La collecte et le transport . . . . 11
1.3.5 Les turbines ichtyocompatibles . . . . 12
1.3.6 L’arrêt ciblé des turbines . . . . 12
1.4 Les grilles ichtyocompatibles à faible espacement entre les barreaux . . . . . 13
1.4.1 Définition des critères ichtyocompatibles . . . . 13
1.4.2 Pertes de charges . . . . 14
1.4.3 Les grilles inclinées . . . . 16
1.4.4 Les grilles orientées . . . . 23
1.4.5 Simulations numériques des grilles ichtyocompatibles . . . . 32
1.5 Bilan . . . . 32
2 Outils expérimentaux et numériques 35 2.1 Mécanique des fluides d’un écoulement à surface libre . . . . 35
2.2 Outils expérimentaux . . . . 37
2.2.1 Mesure de laboratoire . . . . 37
2.2.2 Mesure de terrain . . . . 46
2.3 Simulation numérique du plan de grille . . . . 53
2.3.1 Présentation de l’outil numérique . . . . 54
2.4 Bilan . . . . 62
3 Les grilles inclinées 64 3.1 Mesure et modélisation des pertes de charge en laboratoire . . . . 65
3.1.1 Coefficient de forme du barreau . . . . 65
3.1.2 Coefficient des supports transversaux . . . . 72
3.2 Modélisation numérique de la vitesse à travers les grilles inclinées avec des supports . . . . 77
3.3 Mesure et modélisation numérique de la vitesse in situ . . . . 82
3.3.1 Conditions de fonctionnement de la prise d’eau au moment des mesures 82 3.3.2 Courantologie en amont des grilles . . . . 82
3.3.3 Attractivité des exutoires . . . . 88
3.4 Bilan . . . . 91
4 Les nouvelles solutions de barrières physiques 94 4.1 Les grilles orientées à barreaux horizontaux . . . . 94
4.1.1 Pertes de charge . . . . 95
4.1.2 Vitesse . . . 104
4.2 Les plaques perforées . . . 111
4.2.1 Pertes de charge . . . 113
4.2.2 Vitesse . . . 119
4.3 Bilan . . . 124
Conclusion 126
Références 136
Annexes 138
Table des figures
1.1 Cycle de migration du saumon à gauche adapté de Cooke, Crossin et Hinch (2011) de l’anguille à droite adapté de Béguer-pon et Dodson (2015). . . . . . 7 1.2 Types de barrières physiques (de gauche à droite: inclinée, orientée avec bar-
reaux verticaux modifiés dans le sens de l’écoulement, orientée avec barreaux verticaux perpendiculaires au support de la grille, orientée avec barreaux ho- rizontaux). . . . 9 1.3 Schéma du Louver (Schwevers et Adam, 2020) avec V a la vitesse d’approche. 9 1.4 Types de configurations des grilles testées par Albayrak et al. (2017) (a) lou-
ver, (b) grille orientée, (c) grille orientée à barreaux modifiés et (d) le canal testé. . . . . 10 1.5 Louver avec barreaux incurvés (Beck et al., 2019a). . . . 10 1.6 Barrière comportementale électrique (Schwevers et Adam, 2020). . . . 11 1.7 Processus de développement des turbines ichtyocompatibles MGR et Alden
schématisés par Voith hydro (Dewitte et David, 2018). . . . 12 1.8 Décomposition de la vitesse d’approche V a le long de la grille en vitesse tan-
gentielle V t et normale V n quelque soit l’orientation α ou l’inclinaison β de grille. . . . 13 1.9 Schéma d’un exemple du dispositif de dévalaison composé d’une grille incli-
née, d’exutoires, d’une goulotte et d’un canal de dévalaison. . . . 14 1.10 Schéma explicatif de l’application du théorème de Bernoulli dans un canal à
surface libre et la position des points de mesure de la hauteur d’eau en amont (S 1 ) et en aval (S 2 ) de la grille, en vue longitudinale du canal dans le plan (x,z). 15 1.11 Définitions des types de colmatage classés par deux groupes selon Meusbur-
ger (2002). . . . 18 1.12 Représentation des plans de vitesse sur une coupe longitudinale de la grille
pour plusieurs inclinaisons de la grille (β = 15 ˚à 45˚) par Raynal et al. (2013a). 20
1.13 Comparaison des profils de vitesses normalisées (V 1 = 0.7ms −1 étant sa vi- tesse d’approche): V n /V 1 , V t /V 1 et V t /V n pour une grille inclinée (β = 25˚) avec et sans colmatage par Raynal (2013). . . . 21 1.14 Représentation de la vitesse axiale normalisée en vue de dessus dans le plan
(x,y) de la courantologie en fonction du nombre d’exutoires (représentés en blanc) associés à une grille inclinée à 25˚par Raynal (2013). . . . . 22 1.15 Représentation des configurations de barreaux des grilles orientées testées
par Raynal (2013) : à droite les barreaux perpendiculaire à l’axe de la grille (VPB) et à gauche les barreaux placés dans le sens de l’écoulement (VSB). . . 26 1.16 Comparaison des vitesses axiales normalisées par Raynal et al. (2014) pour
les deux configuration de grilles orientées pour différents angles d’orienta- tions (α=30˚à 60˚) avec V 1 la vitesse en amont et V 2 la vitesse en aval. . . . . 27 1.17 Schéma et dimensions des barreaux incurvés proposés par Beck et al. (2019a). 28 1.18 Représentation du ratio des vitesses tangentielle et normale, de la vitesse
normale adimensionnée et de la vitesse axiale adimensionnée des différentes configurations de grilles testées par Beck et al. (2019b). . . . 28 1.19 Schéma des barreaux testés par Meister et al. (2020a). . . . 29 1.20 Comparaison des profils de vitesse normale adimensionnée et du ratio des
vitesses tangentielle et normale avec et sans colmatage des grilles orientées réalisés par Raynal (2013). . . . 30 1.21 Représentation de la vitesse axiale adimensionnée sur une grille de type Cur-
ved Bar Racks colmatée réalisée par Beck et al. (2019b). . . . . 30 1.22 Représentation de la norme de la vitesse adimensionnée pour une grille pro-
pore en haut et une grille colmatée en bas testées par Meister et al. (2020b). . 31 1.23 Représentation de la norme de vitesse adimensionnée et des lignes de cou-
rant d’une grille orientée associée à un exutoire latéral en berge en amont simulé par Raynal (2013). . . . 31 2.1 Canal hydraulique à surface libre de l’institut Pprime. . . . 38 2.2 Composants des grilles et notations des paramètres caractéristiques. . . . 38 2.3 Evolution du coefficient de pertes de charge ξ des grilles inclinées en fonction
du nombre de Reynolds du barreau (à gauche)et de Froude Fr (à droite) pour différentes séries de mesures. Chaque série correspond à une augmentation du débit Q à hauteur d’eau H 1 constante de l’étude (Raynal et al., 2013a) notée SR et de l’étude actuelle notée FL pour le profil de barreau Plétina.
(PR: profil rectangulaire, PH: profil hydrodynamique, PL: Plétina, β: l’angle
d’inclinaison). . . . 39
2.4 Schéma de la méthode de mesure de la sonde (à gauche) et de son volume de mesure (à droite). . . . 40 2.5 Position schématique des sondes dans le canal des grilles inclinées (en haut)
et des grilles orientées (en bas). . . . 41 2.6 Sondes ADV utilisées (à gauche sonde de type droite et à droite sonde de type
coudée). . . . 44 2.7 Maillage en amont et en aval des grilles orientées. . . . 45 2.8 Localisation de la centrale hydroélectrique de Las Rives. . . . 46 2.9 Visualisation du site de Las Rives : (a) vue aérienne, (b) plan de grille hors
d’eau vue depuis l’amont, (c) plan de grille en eau vue depuis l’amont, (d) vue de la goulotte transversale de collecte des exutoires et son élargissement progressif et (e) débouché de la goulotte de dévalaison dans le tronçon court- circuité. . . . 47 2.10 Photo de l’ADCP StreamPRo monté sur son trimaran et de la sonde avec un
détail des 4 capteurs. . . . 48 2.11 Support et chariot de déplacement ayant permis de déployer la sonde ADCP. 49 2.12 Positionnement des transects de mesures ADCP à Las Rives en 2018. . . . . 50 2.13 Positionnement des jaugeages réalisés dans la goulotte de Las Rives. . . . 51 2.14 Exemple d’un courantomètre électro-magnétique. . . . 51 2.15 Découpage d’une section lors d’une mesure au courantomètre, en rouge les
verticales, les points noirs correspondent aux point de mesure. . . . 52 2.16 Géométrie du modèle numérique du canal avec la grille inclinée à 25˚(à gauche
dans le plan (y,z) et à droite dans le plan en vue de côté (x,z)). . . . 55 2.17 Géométrie du modèle numérique du canal avec la paroi poreuse surfacique à
90˚(à gauche), le bloc de porosité incliné à 25˚dans le plan en vue de côté (x,z) (à droite). . . . 56 2.18 Maillage zoomé de la grille inclinée dans le plan (x,z) avec la zone de raffine-
ment. . . . 57 2.19 Maillage zoomé du bloc de porosité dans le plan vertical (x,z). . . . 57 2.20 Comparaison des profils expérimentaux et numériques des vitesses normali-
sées: axiale V x , normale V n , tangentielle V t et du ratio V t /V n , situés à 50 mm en amont de la grille. . . . 60 2.21 Comparaison des profils expérimentaux et numériques des vitesses normali-
sées axiale V x ,situé à 400 mm en aval de la grille. . . . 60 3.1 Composants des grilles (barreaux, entretoises, supports transversaux et lon-
gitudinaux) et profils de barreaux testés. . . . . 65
3.2 Dimensions des barreaux: largeur (b) et profondeur (p) (Goutte d’eau: GE, Plétina: PL, Têtard 8: T8, Têtard 10: T10, Rectangulaire: REC, Hydrodyna- mique: HYD). . . . . 66 3.3 Comparaison des coefficients de pertes de charge mesurés ξ pour les 4 profils
de barreaux((a) Goutte d’eau, (b) Plétina, (c) Têtard 8, (d) Têtard 10) et pour les deux espacements entre les barreaux, en fonction de l’angle d’inclinaison β. 67 3.4 Régression linéaire entre le coefficient des barreaux ξ barreaux pour les 4 formes
de barreaux ((a) Goutte d’eau, (b) Plétina, (c) Têtard 8, (d) Têtard 10) en fonc- tion de K b × K β . . . . 69 3.5 Profils de barreaux testés par Meister et al. (2020a). . . . 70 3.6 Régression linéaire entre le coefficient de pertes de charge mesuré ξ mesur´ e
et le coefficient de pertes de charge modélisé ξ mod´ elis´ e à partir de la formule de Meister et al. (2020a) : (a) Goutte d’eau et (b) Têtard 10 (c) Têtard 8 (d) Plétina de 30 ˚à 45 ˚. . . . 70 3.7 Régression linéaire entre le coefficient de pertes de charge mesuré ξ mesur´ e
et coefficient de pertes de charge modélisé ξ mod´ elis´ e à partir de la formule de Meister et al. (2020a) : (a) Goutte d’eau et (b) Têtard 10 (c) Têtard 8 (d) Plétina pour les angles de 30˚à 45 ˚. . . . . 71 3.8 Dimensions des supports transversaux: en U à gauche et profilé à droite pla-
cée derrière une rangée d’entretoises. . . . . 73 3.9 Les supports utilisées dans l’écoulement (à gauche la forme en U et à droite
la forme profilée). . . . 73 3.10 Comparaison du coefficient de pertes de charge ξ sans et avec 1 ou 2 supports
en U pour (a) profil rectangulaire (PR) et un espacement entre les barreaux de 10 mm, (b) profil rectangulaire (PR) et un espacement entre les barreaux de 15 mm, (c) profil hydrodynamique (PH) et un espacement entre les bar- reaux de 10 mm et (d) profil hydrodynamique (PH) et un espacement entre les barreaux de 15 mm, en fonction de l’angle d’inclinaison β . . . . . 74 3.11 Comparaison du coefficient de pertes de charge ξ sans et avec support pro-
filé pour (a) profil rectangulaire (PR) et un espacement entre les barreaux
de 10 mm, (b) profil rectangulaire (PR) et un espacement entre les barreaux
de 15 mm, (c) profil hydrodynamique (PH) et un espacement entre les bar-
reaux de 10 mm et (d) profil hydrodynamique (PH) et un espacement entre
les barreaux de 15 mm, en fonction de l’angle d’inclinaison β . . . . . 75
3.12 Projection verticale du support pour estimer le blocage frontal. . . . . 76
3.13 Régression linéaire entre le coefficient de pertes de charge mesuré ξ mesur´ e et coefficient de pertes de charge modélisé ξ modelis´ e (a) le support en U et (b) le support profilé. . . . 77 3.14 Représentation de la vitesse axiale normalisée (V x /V o ) de l’écoulement en
coupe transversale à travers une grille inclinée à 25˚, munie de barreaux rectangulaires, e/b = 2, sans entretoises. . . . 78 3.15 Représentation de la vitesse axiale normalisée (V x /V o ) de l’écoulement en
coupe trasversale à travers une grille inclinée à 25˚, munie de barreaux rec- tangulaires, e/b = 2, avec 5 barres d’entretoise. . . . 78 3.16 Représentation de la vitesse axiale normalisée (V x /V o ) de l’écoulement en
coupe transversale à travers une grille inclinée à 25˚, munie de barreaux rectangulaires, e/b = 2, avec le support en U, sans entretoises. . . . 79 3.17 Représentation de la vitesse axiale normalisée (V x /V o ) de l’écoulement en
coupe transversale à travers une grille inclinée à 25˚, munie de barreaux rectangulaires, e/b =2, avec le support profilé, sans entretoises. . . . 79 3.18 Comparaison des profils expérimentaux et numériques des vitesses norma-
lisées: axiale V x (a), tangentielle V t (b), normale V n (c) et du ratio V t /V n (d), situés à 50 mm en amont de la grille inclinée à 25˚, de barreaux rectangu- laires, e/b =2, avec et sans barres d’entretoise pour V o = 0.7 ms −1 , et avec et sans les supports en U et profilé. . . . 80 3.19 Comparaison des profils de vitesse axiale normalisée aval à travers une grille
inclinée à 25˚, de barreaux rectangulaires, e/b =2, sans et avec 5 barres d’en- tretoises, et avec et sans le support en U ou le support profilé. . . . 81 3.20 Cartographies des vitesses adimensionnées V x /V o (à gauche) et V z /V o (à droite)
mesurées à Las Rives, V o = 0.8 ms −1 . . . . 82 3.21 Cartographies des vitesses adimensionnées V y /V o Las Rives, V o = 0.8 ms −1 . . 83 3.22 Cartographies de V t /V o (à gauche) et V n /V o (à droite) mesurées à Las Rives,
V o = 0.8 ms −1 . . . . 84 3.23 Cartographie du rapport V t /V n mesurées à Las Rives, V o = 0.8 ms −1 . . . . 85 3.24 Vue de dessus des vecteurs des vitesses moyennées sur la hauteur, au niveau
des quatre transects à Las Rives, V o = 0.8 ms −1 . . . . . 85 3.25 Cartographies des vitesses adimensionnées V x /V o (à gauche) et V z /V o (à droite)
modélisées de Las Rives, V o = 0.8 ms −1 . . . . 86 3.26 Cartographies des vitesses adimensionnées V y /V o modélisées de Las Rives,
V o = 0.8 ms −1 . . . . 86 3.27 Cartographies de V t /V o (à gauche) et V n /V o (à droite) modélisées de Las
Rives, V o = 0.8 ms −1 . . . . 87
3.28 Cartographie du rapport V t /V n modélisées de Las Rives, V o = 0.8 ms −1 . . . . 88 3.29 Cartographie de V y /V o du transect situé à 2 m en amont du sommet de grille.
Le sens positif est orienté de la rive droite vers la rive gauche. La position des exutoires est délimitée par les traits verticaux, V o = 0.8 ms −1 . . . . 89 3.30 Plan (x,y) en vue de dessus de la norme de la vitesse et des vecteurs de vitesse
de la simulation numérique avec les positions de mesure in situ en flèches rouges. . . . 90 4.1 Schéma des grilles orientées à barreaux horizontaux avec les différents pa-
ramètres et dimensions des barreaux. . . . 95 4.2 Vue de dessus de l’orientation de la grille selon les 4 angles: 30˚, 45˚, 60˚, 90˚. 96 4.3 Vue de côté du canal avec l’emplacement des sondes de mesure (0, 1) en
amont de la grille et (2, 3) en aval de la grille. . . . 97 4.4 Comparaison du coefficient de pertes de charge (a) Profil Rectangulaire (PR),
(b) Profil hydrodynamique (PH), pour les trois espacements (e) en fonction de l’angle d’orientation (α). . . . 98 4.5 Comparaison du coefficient de pertes de charge (a) Profil Rectangulaire (PR),
(b) Profil hydrodynamique (PH), pour les 4 angles d’orientation (α) en fonc- tion du ratio entre l’espacement entre les barreaux et la largeur du barreau (e/b). . . . 98 4.6 Comparaison du coefficient de pertes de charge mesuré avec ceux de la lit-
térature, en fonction de l’angle d’orientation (α); (a) pour e/b=1 ou 1.25 et (b) pour e/b=2 ou 1.87; PC: Profil Cylindrique, PR: Profil Rectangulaire, PH:
Profil Hydrodynamique, PH2: Profil Hydrodynamique de l’étude de Albay- rak, Maager et Boes (2019). . . . 99 4.7 Comparaison du coefficient de pertes de charge modélisé avec ceux de la lit-
térature, en fonction de e/b ; (a) pour α = 30˚; (b) pour α = 45˚; (c) pour α = 60˚; (d) pour α = 90˚; pour le profil de barreau rectangulaire (PR). . . 101 4.8 Grilles orientées avec: (a) barreaux horizontaux (HB), (b) barreaux verticaux
perpendiculaires (VPB), (c) barreaux dans le sens de l’écoulement (VSB). . . . 103 4.9 Comparaison du coefficient de pertes de charge en fonction de l’angle d’orien-
tation (α) pour VPB, VSB et HB avec des barreaux rectangulaires et e/b=2. . 104 4.10 Comparaison des profils de vitesse normalisée par V o la vitesse débitante
amont pour Profil Rectangulaire (PR), e =10 mm et les différents angles (α).
(a) vitesse axiale amont, (b) vitesse axiale avale normalisée par V 2 la vitesse
débitante avale, (c) vitesse normale amont, (d) ratio des vitesses tangentielle
et normale. . . 105
4.11 Comparaison des profils de vitesse tangentielle normalisée par V o la vitesse débitante amont pour e =10 mm et les différents angles (α). (a) Profil Hydro- dynamique (PH), (b) Profil Rectangulaire (PR). . . 105 4.12 Profils transversaux de vitesse normalisée par V o la vitesse débitante amont
en fonction des deux formes de barreau et les différents espacements entre les barreaux (e) pour un angle α = 30˚. (a) vitesse axiale amont, (b) vitesse axiale avale normalisée par V 2 la vitesse débitante avale, (c) vitesse normale amont, (d) ratio des vitesses tangentielle et normale. . . . 106 4.13 Profils de vitesse normalisée par V o la vitesse débitante amont en fonction
des grilles VPB, VSB and HB, pour un espacement entre les barreaux e = 10 mm, les deux formes de barreaux et un angle α = 30˚. (a) vitesse tangentielle amont, (b) vitesse normale amont, (c) ratio des vitesses tangentielle et normale.107 4.14 Profils de vitesse normalisée par V o la vitesse débitante amont en fonction
des grilles VPB, VSB and HB, pour un espacement entre les barreaux e = 10 mm, les deux formes de barreaux et un angle α = 45˚. (a) vitesse tangentielle amont, (b) vitesse normale amont, (c) ratio des vitesses tangentielle et normale.108 4.15 Profils de vitesse axiale avale normalisée par la vitesse débitante avale V 2
en fonction des grilles VPB, VSB and HB, pour un espacement entre les bar- reaux e = 10 mm, PR et un angle α = 45˚. . . 108 4.16 Grille Eicher (EPRI, 1987). . . 112 4.17 Diagramme de la prise d’eau Lépine (en haut) et exemple de la prise d’eau
Brides les Bains (d’altitude 695 m) sur la rivière du Doron des Allues – France (en bas et sans eau) (Dewitte et David, 2018). . . 112 4.18 Exemple d’une prise d’eau tyrolienne classique: Saint Marcel sur le Doron
de la rivière de Bellevillle (d’altitude 1437 m) (à gauche) et Bocognano sur la rivière du Gravone (d’altitude 890 m) (à droite) – France (Dewitte et David, 2018). . . 113 4.19 Diagramme d’une prise d’eau Coanda et exemple de la prise d’eau Coanda
d’Escouloubre (d’altitude 977 m) sur la rivière de l’Aude – France (Dewitte et David, 2018). . . 113 4.20 Exemple de mise en place de plaques perforées associées à des exutoires,
inclinée (à gauche) et orientée (à droite). . . 114 4.21 Dimensions des orifices des plaques perforées. . . 114 4.22 Types des plaques perforées: (a) avec des orifices parallèles, (b) avec des ori-
fices en quinconce verticaux et (c) avec des orifices en quinconce horizontaux
. . . 115
4.23 Plaques perforées testées avec les supports longitudinaux et les tiges trans- versales. . . . 116 4.24 Vue de côté du canal à surface libre avec la plaque perforée inclinée. L’empla-
cement des profils de vitesse est repéré en rouge à 50 mm en amont et à 400 mm en aval de la plaque. Les sondes de la hauteur d’eau sont repérées par S 0 , S 1 , S 2 , S 3 . . . 116 4.25 Coefficient de pertes de charge mesurés des plaques perforées en fonction
de l’angle d’inclinaison. Pour les orifices (verticaux V et horizontaux H) en quinconce (à gauche), pour les orifices parallèles (à droite) et les différentes largeurs a 1 et hauteurs a 2 . . . 117 4.26 Comparaison des vitesses normalisées sur V o la vitesse débitante en amont,
(a) de la composante axiale, (b) de la composante tangentielle, (c) de la com- posante normale et (d) du ratio des vitesses tangentielles et normales des plaques perforées à orifices verticaux en quinconce, pour des différentes lar- geurs a 1 et hauteurs a 2 , en fonction de Z/H. . . 119 4.27 Comparaison des vitesses normalisées sur V o la vitesse débitante en amont,(a)
de la composante axiale, (b) de la composante tangentielle, (c) de la com- posante normale et (d) du ratio des vitesses tangentielles et normales des plaques perforées à orifices verticaux parallèles, pour des différentes largeurs a 1 et hauteurs a 2 , en fonction de Z/H. . . 120 4.28 Comparaison des vitesses normalisées sur V o la vitesse débitante en amont,
(a) de la composante normale et (b) du ratio des vitesses tangentielles et nor- males des plaques perforées à orifices en quinconce verticaux (V) et parallèles verticaux (V) et les orifices en quinconce horizontaux (H), pour a 1 = 15 mm et a 2 = 100 mm, en fonction de Z/H, pour deux angles d’inclinaison β = 25˚et 35˚. 120 4.29 Comparaison des vitesses normalisées sur V o la vitesse débitante en amont,
(a) de la composante normale et (b) du ratio des vitesses tangentielles et nor- males des plaques perforées à orifices en quinconce verticaux (V) et parallèles verticaux (V) et les grilles inclinées (GI) (e/b=2; PR), pour a 1 = 15 mm et a 2 = 100 mm, en fonction de Z/H, pour deux angles d’inclinaison β = 25˚et 35˚. . . 121 4.30 Comparaison des vitesses normalisées sur V 2 la vitesse débitante en aval, de
la composante axiale des plaques perforées à orifices en quinconce verticaux
(a) et parallèles verticaux (b) pour différents a 1 et a 2 , en fonction de Z/H, pour
un angle d’inclinaison β = 25˚. . . 122
4.31 Comparaison des vitesses normalisées sur V 2 la vitesse débitante en aval, de la composante axiale des plaques perforées à orifices en quinconce et paral- lèles verticaux et en quinconce horizontaux pour différents a 1 = 15 mm et a 2
= 100 mm, en fonction de Z/H, pour deux angle d’inclinaison β = 25˚et 35˚. . . 122 4.32 Comparaison des vitesses normalisées sur V 2 la vitesse débitante en aval, de
la composante axiale des plaques perforées à orifices en quinconce et paral-
lèles verticaux et une grille inclinée pour différents a 1 = 15 mm et a 2 = 100
mm, en fonction de Z/H, pour deux angle d’inclinaison β = 25˚et 35˚. . . . 123
Liste des tableaux
1.1 Classification des différentes solutions pour la dévalaison des poissons. . . . . 8 1.2 Comparaison des coefficients K C modélisant l’effet du colmatage pour diffé-
rentes configurations. Les configurations GD, GI et GO représentent respecti- vement les grilles droites, inclinées à 25˚et orientées à 45 ˚. Toutes les grilles sont munies de barreaux rectangulaires espacés de e = 10 mm (Raynal, 2013). 19 1.3 Tableau récapitulatif des premières formules du coefficient de pertes de charges
ξ des grilles orientées. . . . . 23 1.4 Tableau récapitulatif des récentes formules du coefficient de pertes de charges
ξ des grilles orientées propres. . . . 24 1.5 Tableau récapitulatif des différentes études sur les formules de pertes de
charges des grilles ichtyocompatibles. (Rec: rectangulaire, Hyd: hydrodyna- mique) . . . . 26 1.6 Tableau récapitulatif des différentes études sur les champs de vitesses de
grilles ichtyocompatibles. (Rec: rectangulaire, Hyd: hydrodynamique) . . . . . 29 2.1 Position des mesures de hauteur d’eau amont (L 1 ) et aval (L 2 ) et du rapport
de ces positions à la hauteur d’eau amont (H 1 ) des récentes études. . . . 41 2.2 Comparaison des contributions en pourcentage des différents termes de cal-
cul de l’incertitude liée au coefficient de pertes de charge ξ . . . . 44 2.3 Tableau récapitulatif des conditions aux limites pour les simulations dipha-
siques. (α: Fraction de l’eau; k: énergie cinétique turbulente; ω: taux de dissi- pation spécifique; Valeur fixe (Dirichlet) : D; NG: Non glissement; ES: Entrée- sortie; Flux fixe: FF; Gradient nul (Neuman homogène): N; Loi de paroi: LP) 58 2.4 Tableau récapitulatif des conditions aux limites pour les simulations mono-
phasiques. (k: énergie cinétique turbulente; ω: taux de dissipation spécifique;
Valeur fixe (Dirichlet): D; NG: Non glissement; ES: Entrée-sortie; Gradient
nul (Neuman homogène): N; Loi de paroi: LP) . . . . 58
2.5 Paramètres hydrauliques imposés. (Hauteur d’eau:HE) . . . . 59 2.6 Tableau récapitulatif du coefficient de pertes de charges numérique obtenu
pour les configurations testées: ξ num1 pour l’emplacement à la surface libre, ξ num2 pour la pression au fond du canal, ξ num3 pour la pression à la surface libre. . . . . 61 2.7 Tableau récapitulatif du coefficient de pertes de charges numérique obtenu
pour les configurations testées: ξ num1 pour la pression au fond du canal, ξ num2 pour la pression à la surface libre. . . . . 62 3.1 Formes de barreaux testées dans l’écoulement et poids de la grille associée
pour les deux espacements (e). . . . 66 3.2 Paramètres des barreaux (b et p) pour les différents profils de barreaux. . . . 66 3.3 Coefficient de forme des barreaux testés (Goutte d’eau: GE; Plétina: PL; Tê-
tard 8: T8; Têtard 10: T10; Hydrodynamique: HYD; Rectangulaire: REC). . . 68 3.4 Coefficient A i déterminé à partir de la formule de Meister et al. (2020a) des
formes de barreaux testés (Goutte d’eau: GE; Plétina: PL; Têtard 8: T8; Tê- tard 10: T10). . . . 70 3.5 Coefficient A i déterminé à partir de la formule de Meister et al. (2020a) des
formes de barreaux testés de 30 ˚à 45 ˚. . . . 71 3.6 Coefficient de forme des barreaux testés par Meister et al. (2020a), calculé
avec la formule de Raynal et al. (2013a) avec les barreaux testés lors de cette étude. . . . 72 3.7 Répartition des débits dans les exutoires mesurés et simulés à Las Rives. . . 90 4.1 Dimensions des constituants de la grille et paramètres hydrauliques des ex-
périences. . . . 96 4.2 Moyenne des écarts absolus entre les valeurs mesurées et les valeurs pré-
dites du coefficient de pertes de charge ξ à partir des différentes formules en fonction de l’angle d’orientation (α). . . 102 4.3 Paramètres des plaques perforées testées. . . 115 4.4 Coefficient A i modélisé pour les différentes configurations des plaques. . . 118 4.5 Comparaison des pertes de charge ∆H (mm) pour une grille inclinée à bar-
reaux hydrodynamique et Têtard 8 et pour une plaque perforée pour trois espacements e (10, 15 et 20 mm), une largeur de barreau b = 7 mm et deux angles d’inclinaison β (15 et 25˚) et une vitesse de 0.7 ms −1 et 11 barres d’en- tretoises pour 15˚et 7 barres pour 25˚. . . 118 A Matrice d’essais des mesures expérimentales des grilles inclinées avec les
différentes formes de barreau. (PDC: Pertes de charge) . . . 139
B Matrice d’essais des mesures expérimentales des grilles inclinées avec les supports. (PDC: Pertes de charge) . . . 142 C Matrice d’essais des mesures expérimentales des grilles orientées à barreaux
horizontaux. (PDC: Pertes de charge; Profil de vitesse amont et aval: VAA) . . 144 D Matrice d’essais des mesures expérimentales des plaques perforées. (PDC:
Pertes de charge; Profil de vitesse amont et aval: VAA) . . . 146
Notations
Acronymes
GD Grille Droite GE Profil Goutte d’eau
GHO Grille Orientée à barreaux Horizontaux GI Grille Inclinée
GO Grille Orientée
HB Barreaux Horizontaux HY D Hydrodynamique
P B Grille à barreaux Perpendiculaires P H Profil Hydrodynamique
P L Profil Plétina
P R Profil Rectangulaire
RAN S Reynolds Averaged Navier Stokes REC Rectangulaire
SB Grille à barreaux dans le Sens de l’écoulement T 10 Profil Têtard 10
T 8 Profil Têtard 8
V P B Barreaux Verticaux Perpendiculaires
V SB Barreaux Verticaux dans le Sens de l’écoulement Constantes
ν Viscosité cinématique de l’eau (10 −6 ) m 2 s −1
g Accélération de la pesanteur (9.81) ms −2 Paramètres géométriques
α Angle d’orientation de la grille ◦
β Angle d’inclinaison de la grille ◦
A i Coefficient de forme du barreau -
B Largeur du canal m
b Largeur du barreau m
C Degré de colmatage de la grille -
C 0 Degré de colmatage initial dû aux plaques -
D sp Diamètre des entretoises m
e Espacement entre les barreaux m
h Projection de la diagonale du support m
K C Coefficient de colmatage -
K f Coefficient de forme du barreau de Kirschmer -
L g Largeur de la grille m
L C Longueur de la grille recouverte par la plaque m
L g,im Longueur de la grille immergée m
N b Nombre de barreaux -
N sp Nombre de barres d’entretoises -
O b Coefficient d’obstruction dû aux barreaux -
O g Coefficient d’obstruction total -
O sp , O sp,H Coefficient d’obstruction dû aux entretoises par rapport à la largeur du canal
et à la hauteur d’eau -
p Profondeur du barreau m
Paramètres de l’écoulement
∆H, ∆H o Pertes de charge dues à la grille et sans la grille m
ω Taux de dissipation turbulente s −1
σ 1 , σ 2 Coefficients définis par Idel’cik -
ξ Coefficient de pertes de charge -
ξ barreaux Coefficient de pertes de charge dues aux barreaux -
ξ entretoises Coefficient de pertes de charge dues aux entretoises -
ξ support Coefficient de pertes de charge dues au support -
A AH Aire totale des entretoises selon Meusburger m 2
A RF Aire totale des barreaux selon Meusburger m 2
A RS Aire totale de la grille selon Meusburger m 2
C k Degré d’immersion de la grille -
C L Influence de la profondeur du barreau -
F r Nombre de Froude -
H 0 , H 1 Hauteurs d’eau amont m
H 2 , H 3 Hauteurs d’eau avale m
k Énergie cinétique turbulente m 2 s −2
K f Coefficient de forme du barreau -
K V , C ov Coefficient de colmatage de Beck et Meister -
K β Coefficient de pertes de charge dues à l’angle d’inclinaison -
K Berez Coefficient utilisé par Berez -
K b Coefficient de pertes de charge par rapport à la largeur du barreau - K e Coefficient de pertes de charge par rapport à l’épaisseur des entretoises - K P −support Coefficient de forme du support profilé -
K support Coefficient de forme du support -
K U−support Coefficient de forme du support en U -
N support Nombre de support -
O support Coefficient d’obstruction dû au support -
P Degré d’obstruction de Meusburger -
Q Débit m 3 s −1
R eb Nombre de Reynolds du barreau -
R e Nombre de Reynolds global - V Ratio entre l’aire totale de la grille et l’aire de la partie colmatée de Meusbur-
ger -
V 2 Vitesse débitante avale ms −1
V o , V 1 Vitesses débitantes amont ms −1
Introduction
L’énergie issue de centrales hydroélectriques représente dans le monde une production qui s’élève au rang de sixième mondial des sources de production. Elle est de plus en plus encouragée dans une logique de transition énergétique verte. En Europe, la directive cadre (2009/28/CE) appelée également Directive EnR (Énergie Renouvelable) a pour objectif une part d’énergie renouvelable, dont l’hydroélectricité, atteignant 20% de la production en l’année 2020. En France, ces centrales hydroélectriques (au nombre de 2300 pour les petites centrales selon France Hydro Electricité) et plus largement les seuils (recensés à 70 000 en 2013 par le référentiel des obstacles à l’écoulement sur les cours d’eau) ont mené à la dégradation des cours d’eau et des habitats aquatiques et à des difficultés de passage des sédiments et des poissons migrateurs. En raison de ces impacts, une deuxième directive cadre sur l’eau (2000/60/EC) a été instaurée pour notamment prévenir toute dégradation supplémentaire, préserver et améliorer l’état des écosystèmes aquatiques (article 1). La préservation du bon état du cours d’eau englobe la restauration de la continuité écologique (article 4 et annexe 5).
La conciliation de la problématique de production hydroélectrique et de continuité éco- logique est un besoin et un des objectifs du projet «Fishfriendly Innovative Technologies for Hydropower» (FIThydro) du programme Horizon 2020 EU Research and Innovation program. Le principal dessein de FIThydro est de promouvoir le développement de tech- nologies pour une exploitation durable et respectueuse des poissons dans les centrales hy- droélectriques en Europe. Le laboratoire Pprime est un des partenaires d’une équipe de recherche interdisciplinaire composée de divers instituts et participants européens. Cette thèse s’inscrit donc dans le cadre de ce projet et plus précisément dans l’étude des grilles de prises d’eau ichtyocompatibles. Ce type de solution vise à protéger les poissons lors de la migration vers l’aval.
A ce propos, plusieurs dispositifs ont été aménagés dans les centrales hydroélectriques
afin d’assurer la dévalaison des poissons. En France, les bases de conception et de dimen-
sionnement de ces dispositifs, dénommés "prises d’eau ichtyocompatibles", ont été définies
en 2008 par Courret & Larinier à partir des retours d’expérience acquis en France et à l’étranger.
Pour les petites centrales d’un débit allant jusqu’à 100 m 3 s −1 , des études hydrauliques sur modèle réduit ont ensuite permis de confirmer ou préciser certains critères concernant l’implantation des plans de grille et la conception des exutoires et de produire des formules d’évaluation des pertes de charge adaptées à ces configurations (Raynal, 2013). Diverses configurations de grilles ont été proposées (orientée, inclinée) avec des arrangements de barreaux différents. L’étude a permis aussi de confirmer les critères proposés par l’Office Français de la Biodiversité sur l’espacement entre les barreaux et les angles d’inclinaison ou d’orientation des grilles. Des essais expérimentaux ont ensuite permis d’analyser l’écou- lement en fonction du nombre et de l’emplacement des exutoires. Néanmoins, quelques perspectives ont découlé de ce travail.
Cette thèse vient donc dans un premier temps compléter ce travail et dans un deuxième temps explorer de nouveaux concepts de grilles ichtyocompatibles qui minimisent les pertes de charges pour les producteurs et qui sont adaptées à la dévalaison des poissons. Dans le premier chapitre, un état de l’art de l’ensemble des solutions existantes et des travaux pré- cédents effectués autour des grilles en particulier est dressé. Le second chapitre introduit les équations de la mécanique des fluides dans le cadre d’un écoulement à surface libre et le choix des échelles ainsi que les outils expérimentaux et numériques qui ont été employés dans le laboratoire et in situ, durant cette thèse. Le troisième chapitre aborde les grilles inclinées. Ces grilles ont été étudiées en laboratoire par Raynal et al. (2013a) puis implé- mentées dans les centrales hydroélectriques en France avec succès selon Tomanova et al.
(2018). Cependant, l’étude réalisée durant cette thèse concerne l’amélioration et l’optimi- sation de ces grilles. Dans ce sens, le barreau, constituant essentiel de la grille, est testé pour différentes formes puis les pertes de charge associées sont modélisées. La présence de structures de maintien derrière la grille provoque des pertes d’énergie supplémentaires.
Nous avons donc mesuré et modélisé la perte générée par ces structures et proposé de la
réduire avec une structure profilée. L’influence des différents éléments sur les champs de
vitesse est étudiée numériquement en amont et en aval des grilles. Parallèlement, la grille
implantée dans la centrale de Las Rives, sur la rivière Ariège, a fait l’objet de mesures in-
situ dans le but de valider la courantologie en amont de celle-ci ainsi que les préconisations
faites par l’OFB. Ces mesures sont ensuite comparées à un modèle numérique en trois di-
mensions de la centrale, destiné au développement d’outils de prédiction. Dans le dernier
chapitre, de nouvelles solutions de barrières physiques sont présentées. Les solutions tes-
tées dans le cadre de cette thèse sont les grilles orientées à barreaux horizontaux et les
plaques perforées. Ces alternatives sont peu élaborées en France par manque de connais-
sance et sont rarement implémentées. L’objectif est de prédire la perte de charge au travers
de ces dispositifs et de caractériser les vitesses en amont et en aval de ces structures pour
ensuite voir comment elles peuvent être installées avec des exutoires et si elles respectent
les critères proposés par Courret et Larinier (2008). Enfin, une conclusion générale présen-
tant les analyses des résultats obtenus au cours de cette thèse ainsi que les perspectives
possibles sont présentées.
Chapitre 1
Etat de l’art
Sommaire
1.1 L’ichtyologie . . . . 5 1.2 La migration des poissons . . . . 6 1.3 Les solutions pour la dévalaison des poissons . . . . 7 1.3.1 Les barrières physiques . . . . 7 1.3.2 Les barrières comportementales (mécaniques) . . . . 9 1.3.3 Les barrières comportementales (sensorielles) . . . . 11 1.3.4 La collecte et le transport . . . . 11 1.3.5 Les turbines ichtyocompatibles . . . . 12 1.3.6 L’arrêt ciblé des turbines . . . . 12 1.4 Les grilles ichtyocompatibles à faible espacement entre les barreaux 13 1.4.1 Définition des critères ichtyocompatibles . . . . 13 1.4.2 Pertes de charges . . . . 14 1.4.3 Les grilles inclinées . . . . 16 1.4.4 Les grilles orientées . . . . 23 1.4.5 Simulations numériques des grilles ichtyocompatibles . . . . 32 1.5 Bilan . . . . 32
1.1 L’ichtyologie
L’ichtyologie du grec «étude des poissons» nait avec Aristote (384-322 av. J.-C.) avec la
publication de son ouvrage « Histoire des animaux » vers 343 av. J.-C. Ce savoir est appro-
fondi des millénaires plus tard avec Petri Artedi (1705-1735) dans les ouvrages «Biblio-
theca Ichthyologica» et «Philosophia Ichthyologia», qui font l’apologie de la vie des espèces
aquatiques. Nous y retrouvons notamment la description détaillée des espèces de pois-
sons et leurs synonymes ainsi qu’un système de classification inédit utilisé par la suite
par d’autres scientifiques tel que Carolus Linnæus. L’étude de la migration des poissons
vient seulement au XX siècle, avec les travaux de Meek en 1916, dans la mesure où les tra- vaux précédents ne concernent que la classification et l’identification des poissons. Depuis, plusieurs auteurs, notamment : Roule (1933), Hasler (1966), Harden Jones (1968), Naka- mura (1969), McCleave et al. (1984), McKeown (1984), McDowal (1988) et Lucas et Baras (2001) ont proposé des recherches sur le sujet avec plusieurs points de vue sur la nature migratoire du poisson. Cela est détaillé dans l’ouvrage de Morais et Daverat (2016).
1.2 La migration des poissons
La migration constitue un déplacement nécessaire pour rejoindre les habitats propices aux différentes étapes du cycle de vie des poissons (Havn et al., 2020). Elle peut être ef- fectuée dans un seul milieu, en mer elle est dite océanodrome, en eau douce elle est dite potamodrome, et dans les deux elle est dite diadrome. La diadromie est la capacité de cer- taines espèces à vivre tantôt dans l’eau douce, tantôt dans l’eau salée, afin de se reproduire dans un habitat et de se développer dans l’autre habitat (Gross, Coleman et Mcdowall, 1988). Les poissons catadromes ou thalassotoques, vivent en eau douce mais naissent et se reproduisent en mer et les poissons anadromes ou potamotoques, vivent en mer mais naissent et se reproduisent en eau douce et les poissons amphidromes se déplacent dans les deux. Les poissons diadromes, qui migrent d’un milieu à un autre, ont souvent une va- leur économique, culturelle et récréative élevée, comme les espèces de salmonidé comme le saumon atlantique (salmo salar), d’anguille comme l’anguille d’Europe (Anguilla anguilla) et d’esturgeon (Acipenseridae).
La dévalaison
La dévalaison est la migration des poissons de l’amont vers l’aval des cours d’eau jus- qu’à la mer pour les espèces diadromes. Les poissons en question sont les juvéniles des espèces potamotoques (saumon, truite de mer, truite de lac, truite, alose), les adultes d’es- pèces potamotoques après la reproduction (salmonidés, alose feinte) et les adultes d’espèces thalassotoques avant la reproduction (anguille) (Travade et Larinier, 1992).
Comme le présente la Figure 1.1, pour le saumon, le frai se produit de novembre à
janvier, suivi par l’éclosion des alevins en mars. Le développement des juvéniles en eau
douce dure de 1 à 3 ans et c’est après cette première phase de croissance que s’effectue
la descente des smolts. Pour l’anguille, le cycle de vie s’effectue par la reproduction des
adultes en mer Sargasses, le transport des larves par les courants océaniques vers les
côtes européennes, la métamorphose en civelles puis anguille jaune lors de la colonisation
des cours d’eau et la dévalaison au stade adulte (anguille argentée).
La montaison
La montaison est la migration des poissons par la montée des cours d’eau. Les mêmes espèces citées pour la dévalaison sont concernées mais cette fois ci dans le chemin inverse.
Les anguilles remontent les cours d’eau pour se développer et les saumons pour se repro- duire (Figure 1.1).
F IGURE 1.1 – Cycle de migration du saumon à gauche adapté de Cooke, Crossin et Hinch (2011) de l’anguille à droite adapté de Béguer-pon et Dodson (2015).
1.3 Les solutions pour la dévalaison des poissons
La dévalaison des poissons est sujette à des difficultés suite aux aménagements anthro- piques des cours d’eau (centrales hydroélectriques et barrages). En effet, cette probléma- tique impacte au stade juvénile et/ou adulte les populations de poissons. La migration peut être retardée et une mortalité accrue peut être engendrée par plusieurs contraintes au ni- veau des centrales hydroélectriques suite au passage des poissons par les turbines. Parmi ces causes, il y a les accélérations brutales, les gradients de vitesse et de cisaillement, les variations brutales de pression (dépressions en sortie de roue), la cavitation et les risques de chocs contre les parties fixes ou mobiles de la turbine mais aussi la désorientation du poisson et sa prédation. De multiples solutions pour assurer la dévalaison ont été adaptées dans les centrales (Ebel, 2013 ; Schwevers et Adam, 2020). Les solutions et technologies les plus utilisées sont décrites dans le Tableau 1.1 et vont être détaillées par la suite.
1.3.1 Les barrières physiques
Les barrières physiques initialement installées devant les prises d’eau, étaient desti-
nées à éviter l’intrusion de débris et ainsi assurer le bon fonctionnement de la turbine
T ABLEAU 1.1 – Classification des différentes solutions pour la dévalaison des poissons.
Type Solution
Barrières physiques
Grille "Eicher"
Grille à fils métallique Grille immergée
Barrières physiques ou comportementales
Grille inclinée à faible espacement Grille orientée à faible espacement Plaque perforée
Barrières
comportementales (mécaniques)
Grille de type ’Louver’
Grille de type ’Louver’ avec barreaux in- curvés (Curved Bar Racks)
Masque de surface ’Skimming walls’
Barrières
comportementales (sensorielles)
Système de dissuasion acoustique Système de dissuasion électrique Système de dissuasion visuelle Rideaux de chaînes suspendues Rideaux à bulles d’air
Rideaux de jets d’eau
Barrières comportementales hybrides
Systèmes de collection et de circulation
Pompe à poisson Conduite de collection Collecte et transport Ecluses
Turbines ichtyocompatibles
Turbine Alden
Turbine Minimum Gap Runner Turbine Kaplan modifiée Turbine VLH
Vis d’Archimède
Opérations ichtyocompatibles Arrêt ciblé des turbines
(Schwevers et Adam, 2020). Celles ci ont été adaptées par la réduction de l’espacement
entre les barreaux à de faibles valeurs pour empêcher les poissons de traverser la grille,
et par la modification de leur implantation, afin de les guider vers un ou plusieurs exu-
toires de contournement. De ce fait, les barrières physiques doivent toujours être équipées
de dispositifs assurant le nettoyage, pour en éviter le colmatage. Parmi ces barrières phy-
siques, on trouve les grilles inclinées, c’est à dire inclinées par rapport au fond du canal
et les grilles orientées, qui sont orientées par rapport aux côtés du canal. Ces grilles sont
composées de barreaux disposés de manières variées: verticalement (parallèles aux côtés du canal), ou horizontalement (parallèles au fond du canal), comme le montre la Figure 1.2.
Ce type de grille a prouvé son efficacité dans plusieurs études sur des installations réelles (Calles et al., 2013 ; Tomanova, Courret et Alric, 2017 ; Tomanova et al., 2018) réduisant le taux de mortalité des poissons lors de leur passage par les centrales hydroélectriques de plus de 70%. Étant l’objet d’étude principal de cette thèse, l’état de l’art des grilles inclinées et orientées est réalisé dans la section suivante.
F IGURE 1.2 – Types de barrières physiques (de gauche à droite: inclinée, orientée avec barreaux verticaux modifiés dans le sens de l’écoulement, orientée avec barreaux verticaux perpendiculaires au support de la grille, orientée avec barreaux horizontaux).
1.3.2 Les barrières comportementales (mécaniques)
En fonction de l’espacement des barreaux et des espèces cibles de poisson, les grilles citées dans le dernier paragraphe peuvent être aussi considérées comme barrières compor- tementales. Un autre type de barrière comportementale sont les louvers (EPRI et DML, 2001). Ce type de barrière est peu employé dans les centrales hydroélectriques moyennes à grandes, d’une production de plus de 10 MW. Les louvers sont constitués de barreaux verticaux placées à un angle égal à 90˚par rapport à la direction de l’écoulement comme le schématise la Figure 1.3.
F IGURE 1.3 – Schéma du Louver (Schwevers et Adam, 2020) avec V a la vitesse d’approche.
Ils sont placés dans un canal d’admission ou un bassin orientée d’un angle par rap- port à la direction d’écoulement de 10˚à 30˚. Ils sont utilisés avec succès pour protéger les poissons anadromes et les guider vers un contournement sans causer de retard, d’effroi, d’épuisement ou de choc par les centrales hydroélectriques dans le nord-est des États-Unis (Amaral et al., 2003 ; Bates et Vinsonhaler, 1957 ; EPRI, 1998 ; Schuler et Larson, 1975 ; Taft et al., 1976) mais posent des problèmes d’exploitation de part une perte de charge importante et une longue structure compliquée à entretenir.
Kriewitz (2015) et Albayrak et al. (2017) ont étudié les louvers mais également des grilles orientées à barreaux modifiés par rapport à l’écoulement (Figure 1.4). Ce type d’amé- nagement suggère un guidage acceptable des poissons mais provoque une perte de charge conséquente et un profil de vitesse en aval asymétrique pour les turbines.
F IGURE 1.4 – Types de configurations des grilles testées par Albayrak et al. (2017) (a) louver, (b) grille orientée, (c) grille orientée à barreaux modifiés et (d) le canal testé.
Récemment, Beck et al. (2019a, 2019b) ont étudié un concept innovant de louver à barreaux incurvés Curved Bar Racks (Figure 1.5). Ce type de louver réduit d’un facteur 4.2 la perte de charge induite par rapport au même type de grille orientée à barreaux modifiés avec des barreaux rectangulaires et permet de conserver des profils de vitesse en aval homogènes pour les turbines.
F IGURE 1.5 – Louver avec barreaux incurvés (Beck et al., 2019a).
1.3.3 Les barrières comportementales (sensorielles)
Les barrières comportementales sensorielles ont pour but de stimuler une réponse chez le poisson en les attirant ou en les guidant vers des exutoires. Le processus est tel que le poisson reçoit un stimulus (électricité, son, éclairage, etc), le localise et s’éloigne de la source du stimulus avec des mouvements non dirigés (Figure1.6). Cependant, les barrières comportementales ne sont utilisables qu’à des vitesses d’approche très faibles, et leur effi- cacité réelle dépend de la perceptibilité du stimulus et de la réaction spécifique à l’espèce, d’après Schwevers et Adam (2020). Cela a été confirmé par l’étude de Beck (2020) avec une barrière électrique où l’auteur a mis en évidence l’efficacité de ce type de barrière sur les anguilles mais une efficacité moindre sur le spirlin.
F IGURE 1.6 – Barrière comportementale électrique (Schwevers et Adam, 2020).
1.3.4 La collecte et le transport
Cette solution consiste à collecter les poissons en dévalaison en amont de la centrale hydroélectrique et à les transporter en aval. Ils sont acheminés à l’aval à l’aide de camions ou de bateaux. Ils sont ensuite relâchés dans l’eau afin qu’ils puissent continuer leur mi- gration. Le plus grand soin doit être pris pour éviter toutes blessures aux poissons lors des procédures de capture, de maintien, de transport et de libération du poisson. La capture et le transport sont une option viable, en particulier dans le cas des chaînes de barrages, et en tant que solution provisoire tant que les installations de protection du poisson ne sont pas construites. Selon l’effort impliqué, les coûts de fonctionnement peuvent être importants.
Ce type de solution est mis en œuvre exclusivement pour les espèces diadromes, à savoir
les saumoneaux et les anguilles argentées (Schwevers et Adam, 2020).
1.3.5 Les turbines ichtyocompatibles
Les turbines ichtyocompatibles sont des turbines spécifiquement conçues pour limiter, voire éviter les dommages lors du passage des poissons au travers et satisfont les critères suivants: des pales longues pour maintenir un taux de variation de pression au minimum, une cavitation restreinte par des vitesses de rotation réduites, des bords d’attaque épais réduisant le risque de dommages lors d’une collision et des interstices réduits entre les parties fixes et mobiles des machines, réduisant le risque de pincement des poissons. De plus, les surfaces de toutes les parties de la construction doivent être aussi lissent que possible (Odeh, 1999). Les différents types de turbines ichtyocompatibles sont: la turbine Alden, la vis d’Archimède, la turbine VLH (Very Low Head) et la turbine Minimum Gap Runner, illustrées dans la Figure 1.7 selon leur type et année d’apparition.
F IGURE 1.7 – Processus de développement des turbines ichtyocompatibles MGR et Alden schématisés par Voith hydro (Dewitte et David, 2018).
1.3.6 L’arrêt ciblé des turbines
L’arrêt ciblé des turbines constitue un moyen efficace pour faciliter le passage des pois-
sons et diminuer le taux de mortalité. Cependant, cette solution est coûteuse pour l’opé-
rateur hydroélectrique. Elle nécessite aussi une étude afin de cibler et d’anticiper les évè-
nements de migration en aval. En France, cette opération est envisagée pour les anguilles
argentées (qui migrent la nuit lors des pics de flux) mais pas pour les smolts en raison de
leur période de migration trop longue. Les différentes méthodes utilisées pour déterminer
les événements de migration sont le biomoniteur type Migromat et l’utilisation de modèle
basé sur les paramètres environnementaux (débit en particulier) (Dewitte et David, 2018).
1.4 Les grilles ichtyocompatibles à faible espacement entre les barreaux
Les grilles à faible espacement entre les barreaux sont une des solutions proposées précédemment et qui font l’objet d’étude de cette thèse. Nous allons donc dans ce qui suit détailler l’état de l’art de cette solution pour les deux types de grilles: inclinées et orientées.
1.4.1 Définition des critères ichtyocompatibles
Les trois fonctions fondamentales que doit satisfaire une grille ichtyocompatible sont:
l’arrêt, le guidage et le transfert des poissons (Courret et Larinier, 2008).
• L’arrêt des poissons s’opère par un espacement entre les barreaux inférieur à la lar- geur du poisson. Pour les smolts de saumons et les truites de mer un espacement maximal de 25 mm est préconisé et l’effet de la grille est donc comportemental. Pour les anguilles argentées et compte tenu de leur capacité à vouloir franchir la grille entre les barreaux, l’espacement maximal préconisé est baissé de 20 à 15 mm, consti- tuant une barrière physique.
• Il s’en suit donc le guidage de ces poissons. Les vitesses d’écoulement doivent per- mettre aux poissons de se diriger vers les exutoires sans être plaqués sur la grille et sans fatigue. La vitesse normale V n à la grille ne doit pas dépasser leur vitesse de croisière. Cette vitesse est définie par la décomposition de la vitesse d’approche V a en vitesses normale V n et tangentielle V t comme l’explique le schéma de la Figure 1.8.
F IGURE 1.8 – Décomposition de la vitesse d’approche V a le long de la grille en vitesse
tangentielle V t et normale V n quelque soit l’orientation α ou l’inclinaison β de grille.
Ces vitesses sont donc fonctions de l’inclinaison (β) ou de l’orientation (α) de la grille par les projections suivantes:
V n = V a × cos(α) (ou β) (1.1) V t = V a × sin(α) (ou β) (1.2) La vitesse normale maximale V n préconisée est de 0.5 ms −1 pour les juvéniles de salmonidés à partir la formule de Videler (Videler, 1993) et les anguilles à partir des observations de (Adam, Schwevers et Dumont, 1999) et de (EPRI, 2001) selon Courret et Larinier (2008).
• Conjointement au critère de la vitesse normale, le ratio des vitesses tangentielle et normale V t /V n doit être supérieur à 1 pour les grilles orientées afin d’inciter les pois- sons à aller vers le coin aval et à 2 pour les grilles inclinées afin d’inciter les poissons à changer de position dans la colonne d’eau. Cette troisième et dernière fonction a pour dessein de créer un courant tangentiel qui dirige le poisson vers l’exutoire (Figure 1.9).
F IGURE 1.9 – Schéma d’un exemple du dispositif de dévalaison composé d’une grille incli- née, d’exutoires, d’une goulotte et d’un canal de dévalaison.
1.4.2 Pertes de charges
Les grilles ichtyocompatibles nécessitent un faible espacement entre les barreaux pour
arrêter les poissons. Par conséquent, et d’un point de vue économique, ce resserrement des
barreaux induit une perte de charge considérable pour les producteurs des centrales hy- droélectriques. Les pertes de charges sont des pertes d’énergie qui s’opèrent à la rencontre d’un obstacle dans un écoulement. Ces pertes proviennent de plusieurs phénomènes: tur- bulence, frottements, restriction, etc. Le calcul de la perte de charge se fait par le théroème de Bernoulli généralisé pour un écoulement à surface libre, incompressible et irrotationnel au travers d’une grille sur une ligne de courant schématisée dans la Figure 1.10.
F IGURE 1.10 – Schéma explicatif de l’application du théorème de Bernoulli dans un canal à surface libre et la position des points de mesure de la hauteur d’eau en amont (S 1 ) et en aval (S 2 ) de la grille, en vue longitudinale du canal dans le plan (x,z).
Ce théorème se traduit par l’équation suivante:
p 1
ρg + H 1 + V 1 2 2g = p 2
ρg + H 2 + V 2 2
2g + ∆H (1.3)
Comme la pression est atmosphérique et que les vitesses proviennent du même débit Q, on peut faire les simplifications suivantes p 1 = p 2 = p atm ; V 1 = B×H Q
1
et V 2 = B×H Q
2
. L’équation 1.3 devient:
∆H = H 1 − H 2 + Q 2
2 × g × B 2 × ( 1 H 1 2 − 1
H 2 2 ) (1.4)
avec ∆H (m) la perte de charge à travers la grille, H 1 (m) et H 2 (m) les hauteurs d’eau en amont et en aval de la grille, Q (m 3 s −1 ) le débit de l’écoulement, V 1 (m s −1 ) et V 2 (m s −1 ) les vitesses en amont et en aval de la grille, g (m s −2 ) l’accélération de la pesanteur, B (m) la largeur du canal.
La perte de charge est donc identifiée par la mesure des hauteurs d’eau en amont et en aval de la grille ainsi que du débit. Par suite, la division des pertes de charges par une pression dynamique permet d’obtenir un coefficient de pertes de charge sans dimension, défini par cette équation:
ξ = ∆H
V 1 2 /2g (1.5)
Plusieurs auteurs ont étudié ce coefficient afin de prédire les pertes de charge à tra- vers les grilles. Parmi ces auteurs, nous trouvons Kirschmer (1926) ; Fellenius et Lind- quist (1929) ; Spangler (1928) ; Escande (1947) ; Berezinski (1958) ; Mosonyi (1966) ; Zim- mermann (1969) et Idel’cik (1979). Depuis, d’autres formulations ont vu le jour à partir de données expérimentales récentes avec Meusburger (2002) ; Raynal (2013) ; Kriewitz (2015) ; Albayrak et al. (2017) ; Böttcher, Gabl et Aufleger (2019) ; Beck et al. (2019a, 2019b) et Meister et al. (2020a, 2020b).
1.4.3 Les grilles inclinées
Les grilles inclinées sont destinées à guider le poisson jusqu’à l’exutoire de surface.
Conjointement, les exutoires dirigent les poissons vers un chenal de sortie afin qu’ils conti- nuent leur migration. La disposition des grilles est telles qu’elles sont inclinées par rapport au fond du canal. Ceux sont généralement des grilles à faible espacement afin de prévenir le passage du poisson dans la turbine. Les études hydrauliques sur ces grilles ont com- mencé vers les années 20. Nous allons détailler les études concernant cette configuration de grille.
Pertes de charges
Kirschmer (1926) est considéré comme le pionnier dans l’étude des pertes de charges à travers ces grilles. Il a développé la formule de coefficient de pertes de charges suivante:
ξ Kirschmer = K f b
e
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